趙 梅 王益軒 路 超 韓斌斌

(西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安，710048)

與傳統(tǒng)的二維紡織復(fù)合材料相比，三維正交紡織復(fù)合材料由于其優(yōu)異的整體力學(xué)性能而得到了廣泛的應(yīng)用。然而隨著對(duì)紡織復(fù)合材料機(jī)械性能要求的提高，三維正交非交織紡織復(fù)合材料已不能滿(mǎn)足人們的要求。為了提高三維正交紡織復(fù)合材料的機(jī)械性能，人們研發(fā)了三維正交交織紡織復(fù)合材料。

三維正交交織織物又稱(chēng)為網(wǎng)格狀織造的三維織物，它是由多層經(jīng)紗和兩組正交的緯紗相互交織而成的。要織出這種網(wǎng)格狀織物結(jié)構(gòu)，織造過(guò)程中的開(kāi)口機(jī)構(gòu)必須采用雙向開(kāi)口方式。Fukuta等提出了使織物的多層經(jīng)紗與兩組正交緯紗充分交織的三維織造技術(shù)，該技術(shù)不但可以形成織物寬度方向的橫向開(kāi)口，而且可以形成織物厚度方向的縱向開(kāi)口，當(dāng)橫、縱向開(kāi)口形成后引入緯紗，這樣交替進(jìn)行可以織出完全交織的三維織物［1］。在此基礎(chǔ)上提出了三維正交織機(jī)采用雙向開(kāi)口方式。

本文主要介紹三維正交織機(jī)采用雙向開(kāi)口方式的開(kāi)口機(jī)構(gòu)，根據(jù)織物組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了雙向平紋開(kāi)口機(jī)構(gòu)的功能模型，介紹了基本工作原理，并根據(jù)傳統(tǒng)綜框的標(biāo)準(zhǔn)，選定合適的尺寸，在Pro/E中建立雙向綜框的幾何模型，利用 ANSYS/Workbench14.5對(duì)雙向綜框進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析，計(jì)算出了碳纖維復(fù)合材料綜框與鋁合金綜框的固有頻率和振型并作了比較，為雙向綜框的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和參考。

1 三維正交織機(jī)雙向開(kāi)口機(jī)構(gòu)織造法

三維正交織機(jī)的開(kāi)口機(jī)構(gòu)采用了雙向開(kāi)口的方式，其用于織造完全交織的三維織物，即多層經(jīng)紗的縱向和橫向分別形成開(kāi)口，使多層經(jīng)紗與兩組正交緯紗相互交織。多層經(jīng)紗基本上是直線(xiàn)的，而其余一些與兩組正交緯紗交織的紗線(xiàn)是螺旋狀的，這樣得到的織物是網(wǎng)格狀的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖2為一個(gè)雙向開(kāi)口形成過(guò)程的示意圖。多層經(jīng)紗最初處于水平位置［圖2(a)］，在列方向的開(kāi)口同時(shí)形成［圖2(b)］，垂直開(kāi)口中引入縱向緯紗Y后與多層經(jīng)紗Z形成交織［圖2(c)、圖2(d)］，多層經(jīng)紗在行方向的開(kāi)口形成后引入橫向緯紗 X與多層經(jīng)紗 Z形成交織［圖2(f)、圖2(g)、圖2(h)］。這樣重復(fù)進(jìn)行就可以織成完全交織的三維織物［圖2(i)］。

圖1 三維正交交織織物的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 雙向開(kāi)口形成過(guò)程

采用這種織造法可以織造出高度整合的織物塊，任何所需形狀的預(yù)制坯都能從其上切割下來(lái)。由于這種織物塊是完全交織的，所以切割下來(lái)的預(yù)制坯不需要在外表面進(jìn)行任何接結(jié)操作來(lái)提高織物的整體性。雙向開(kāi)口機(jī)構(gòu)織造法較傳統(tǒng)織造法更有利于簡(jiǎn)化和加速織物的生產(chǎn)。

2 三維正交織機(jī)開(kāi)口機(jī)構(gòu)中雙向綜框的設(shè)計(jì)

根據(jù)織物的組織結(jié)構(gòu)和織物形成過(guò)程，構(gòu)造經(jīng)紗雙向開(kāi)口機(jī)構(gòu)，通過(guò)在三維正交織機(jī)的開(kāi)口機(jī)構(gòu)中采用雙向開(kāi)口可以織造出這種織物。本文僅研究雙向平紋開(kāi)口機(jī)構(gòu)，其余復(fù)雜組織的雙向開(kāi)口機(jī)構(gòu)可參考本文的方法設(shè)計(jì)。和普通的2D織機(jī)開(kāi)口機(jī)構(gòu)一樣，雙向平紋開(kāi)口機(jī)構(gòu)也有幾種形式，如機(jī)械式(連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu))、電子式(伺服電機(jī)傳動(dòng))。本文構(gòu)造的雙向開(kāi)口機(jī)構(gòu)的基本原理如圖3所示。

圖3 三維正交織機(jī)開(kāi)口機(jī)構(gòu)原理圖

綜框10和綜框11在兩個(gè)平行的平面上，它們采用相同的連桿機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)力矩傳遞給小齒輪1，通過(guò)小齒輪1和大齒輪2的嚙合，驅(qū)使與大齒輪同軸固定的曲柄3(即偏心盤(pán))作整周轉(zhuǎn)動(dòng);曲柄3通過(guò)連桿4帶動(dòng)三臂擺桿擺動(dòng);通過(guò)綜框連桿9帶動(dòng)綜框10作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。另一平面的機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)綜框的機(jī)構(gòu)完全相同，只是綜框11作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的綜框可以有幾十頁(yè)，該機(jī)構(gòu)能控制各頁(yè)綜框，使之按所需要的開(kāi)口規(guī)律運(yùn)動(dòng)，從而織造出各種不同結(jié)構(gòu)的織物，如斜紋、緞紋等。除了水平和垂直兩個(gè)方向的綜框運(yùn)動(dòng)要相互配合外，單向開(kāi)口機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)2D織機(jī)的開(kāi)口機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完全相同，這里不再介紹，本文僅論述特殊綜框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

圖4所示為水平運(yùn)動(dòng)的綜框2和垂直運(yùn)動(dòng)的綜框1以及其上的綜眼。雙向綜框的運(yùn)動(dòng)使得在織物厚度和寬度方向分別形成了開(kāi)口，這也是三維正交織機(jī)織造交織織物的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖4 雙向綜框

在圖4中，綜框1和綜框2放在兩個(gè)平行的平面內(nèi)，綜片上有特別設(shè)計(jì)的綜眼，6a稱(chēng)為積極經(jīng)紗，積極經(jīng)紗穿過(guò)的綜眼是綜框1的綜眼(4ne)、綜框2的綜眼(4ne)或綜框1和綜框2綜眼的疊加綜眼(4se);6p稱(chēng)為消極經(jīng)紗，消極經(jīng)紗穿過(guò)的綜眼是綜框1和綜框2疊加的長(zhǎng)槽狀開(kāi)放空間(5e)。在連桿機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，綜框1作豎直直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，綜框2作水平直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，由于兩個(gè)方向的綜框運(yùn)動(dòng)，使得經(jīng)紗在兩個(gè)方向上分別形成了開(kāi)口。綜框的橫向經(jīng)紗編號(hào)為1～9行，縱向經(jīng)紗編號(hào)為一～九列。奇數(shù)行的消極經(jīng)紗(6p)穿過(guò)長(zhǎng)槽狀開(kāi)放空間的綜眼(5e)，靜止不動(dòng);奇數(shù)行的積極經(jīng)紗(6a)穿過(guò)綜框2的綜眼(4ne)，由綜框2帶動(dòng)作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。綜框1中的偶數(shù)行積極經(jīng)紗(6a)穿過(guò)綜框1的綜眼(4ne)，由綜框1帶動(dòng)作垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng);而綜框2中的偶數(shù)行積極經(jīng)紗(6a)，先穿過(guò)綜框2的豎直綜眼，后穿過(guò)綜框1的水平綜眼，即綜眼4se，隨相應(yīng)綜框運(yùn)動(dòng)。在縱列(二、四、六、八列)中，一些積極經(jīng)紗(6a)穿過(guò)綜框2的綜眼(4ne)，而該列的其余積極經(jīng)紗(6a)穿過(guò)綜眼(4se);在縱列(一、三、五、七、九列)中，所有的積極經(jīng)紗穿過(guò)綜框1的綜眼(4ne)。

當(dāng)綜框1作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過(guò)綜框1綜眼(4ne)和重疊綜眼(4se)的積極經(jīng)紗(6a)隨綜框1一起上下移動(dòng);綜框2的豎直綜眼有足夠的長(zhǎng)度使得穿過(guò)綜眼(4se)的積極經(jīng)紗(6a)能夠豎直移動(dòng)一定的距離。然而穿過(guò)綜框2綜眼(4ne)的積極經(jīng)紗(6a)和消極經(jīng)紗(6p)不移動(dòng)，這樣就與穿過(guò)綜框1豎直移動(dòng)的積極經(jīng)紗(6a)配合形成了水平方向的開(kāi)口(參見(jiàn)圖2)。同理，由綜框2的水平運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)穿過(guò)綜框2綜眼(4ne)和重疊綜眼(4se)的積極經(jīng)紗(6a)作水平運(yùn)動(dòng)，與穿過(guò)綜框1的積極經(jīng)紗(6a)和消極經(jīng)紗(6p)形成了豎直方向的開(kāi)口(參見(jiàn)圖2)。在每次開(kāi)口形成時(shí)引入緯紗，這樣就實(shí)現(xiàn)了經(jīng)紗和緯紗的完全交織。

根據(jù)傳統(tǒng)綜框的標(biāo)準(zhǔn)，在Pro/E中建立了長(zhǎng)1 800 mm，寬1 000 mm的雙向綜框三維模型，如圖5所示。

圖5 雙向綜框三維模型

3 雙向綜框的動(dòng)力學(xué)特性分析

綜框的工作性能與其動(dòng)態(tài)性能密切相關(guān)。在處理結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，必須對(duì)其動(dòng)態(tài)特性有全面的了解。在建模過(guò)程中對(duì)綜框結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留了主要發(fā)生振動(dòng)的側(cè)擋和橫梁，這樣可以提高計(jì)算效率［2］。在此去掉了綜片，利用 ANSYS與 Pro/E的無(wú)縫連接，在ANSYS Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖6所示。

圖6 綜框的有限元模型

在模態(tài)分析時(shí)，分別選取了鋁合金和碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行計(jì)算，最后得到了兩組綜框的固有頻率和模態(tài)振型并進(jìn)行了比較。表1為碳纖維復(fù)合材料的主要參數(shù)，其中ρ為密度，E為彈性模量，G為剪切模量，P為泊松比。鋁合金的密度為2 770 kg/m3，彈性模量為 71 GPa，泊松比為 0.33。

表1 碳纖維復(fù)合材料性能參數(shù)

使綜框處于自由狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，因?yàn)樽杂赡B(tài)分析可以得到所有結(jié)構(gòu)振型，便于我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)參考。這樣綜框就有6個(gè)剛體模態(tài)，在模態(tài)分析后的前6階固有頻率幾乎全為零。表2為綜框的前10階固有頻率。

表2 綜框前10階固有頻率 (單位：Hz)

鋁合金綜框的質(zhì)量為10.421 kg，碳纖維復(fù)合材料綜框的質(zhì)量為5.462 kg，綜合比較，碳纖維復(fù)合材料綜框可有效地減小慣性載荷，適應(yīng)高速。由表2可知，兩種綜框的固有頻率差別不大。其中較典型的振型如圖7～圖10所示。

圖7 1階振型

圖8 4階振型

圖9 6階綜型

圖10 9階振型

由圖7～圖10可以看出：鋁合金綜框較碳纖維綜框變形程度更大;第1階振型沿綜框平面法線(xiàn)方向發(fā)生彎曲變形;鋁合金綜框的第4階振型主要表現(xiàn)為綜框的彎曲變形，橫梁的左側(cè)向前彎曲，右側(cè)向后彎曲，綜框的中心部位靜止不動(dòng)，最大變形區(qū)出現(xiàn)在綜框的兩端，同時(shí)兩邊的側(cè)擋上也發(fā)生了一定程度的彎曲變形，而碳纖維綜框的振型主要表現(xiàn)為側(cè)擋和橫梁向一側(cè)彎曲;碳纖維綜框和鋁合金綜框的第9階振型都是發(fā)生彎曲變形，只是鋁合金綜框的彎曲程度更大?？傊?，對(duì)于同樣規(guī)格的綜框，碳纖維復(fù)合材料綜框相對(duì)于鋁合金綜框有較好的動(dòng)態(tài)特性。

4 結(jié)語(yǔ)

三維正交織機(jī)采用了雙向開(kāi)口機(jī)構(gòu)即雙向綜框，可以織出完全交織的織物，這種織物可以大大提高其力學(xué)性能，滿(mǎn)足工程織物的需求。本文主要介紹了雙向綜框的作用及工作原理，并根據(jù)傳統(tǒng)的綜框在 Pro/E中建立了雙向綜框的模型，利用ANSYS/Workbench14.5進(jìn)行模態(tài)分析。選取碳纖維復(fù)合材料和鋁合金為綜框材料，得到了相應(yīng)的固有頻率和振型，對(duì)前10階振型進(jìn)行了分析，得出了綜框主要以彎曲和彎扭曲變形為主，最大變形區(qū)域集中在側(cè)擋、側(cè)擋和橫梁的連接處、橫梁的中間位置、距離橫梁中間位置1/4處及端部。本文的研究結(jié)果為雙向綜框的設(shè)計(jì)提供了理論參考。

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